Analyseur de facteur de bruit Keysight NFA

Comment mesurer le facteur de bruit dans les systèmes RF

  • Il est de plus en plus incontournable de comprendre d’où vient le bruit dans les systèmes radiofréquences (RF )car le spectre radioélectrique devient de plus en plus encombré et les schémas de modulation plus complexes.
  • Réduire le bruit présent dans un décodeur de télévision par satellite peut avoir un impact similaire sur la qualité du signal fourni aux abonnés que l’utilisation d’antennes paraboliques de plus grandes dimensions mais pour un coût beaucoup plus faible.
  • Cet article se concentre sur la mesure du bruit généré par les circuits électroniques d’un système qui est généralement dû au bruit thermique, résultant de la vibration des électrons, et au bruit de « grenaille » dû à la nature quantique du courant.

 

Auteur : Giovanni D’Amore, RF Microwave Marketing Brand Manager, Keysight Technologies

 

Il existe différentes façons d’évaluer la qualité d’un récepteur radiofréquence (RF), comme sa sensibilité ou son taux d’erreur de bit lors du décodage de signaux numériques. Une caractéristique dite «facteur de bruit» peut mesurer la quantité de bruit créée par chaque partie du système, et fournir aux concepteurs des informations cohérentes afin de réaliser les compromis nécessaires à l’obtention des performances requises du système. Pour se concentrer par exemple sur la conception des amplificateurs plutôt que sur les performances des transistors.

Le facteur de bruit F d’un composant ou d’un système est la comparaison entre le rapport signal/bruit d’entrée (S/B) et le rapport S/B de sortie. Le facteur de bruit est indépendant du gain d’un amplificateur et du niveau du signal d’entrée (tant qu’un amplificateur fonctionne linéairement). Cependant, la plupart des amplificateurs ajoutent leur propre bruit à un signal, et le facteur de bruit d’un système dépendra également de la température de la source qui le pilote.

Le facteur de bruit est aussi généralement fonction de la fréquence, mais est indépendant de la bande passante. Il est communément exprimé comme étant égal à 10 log F.

Mesurer un facteur de bruit

Différents problèmes tels que Linéarité de la puissance de bruit affectent la façon dont les mesures de bruit sont réalisées.

La puissance de bruit fournie par un composant linéaire à deux ports dépend linéairement de la puissance ou de la température de bruit d’entrée, comme le montre la figure 1.

Figure 1: Pour une impédance de source au zéro absolu, la puissance de sortie consiste uniquement en bruit ajouté « Na » provenant de l’appareil testé (Source: Keysight)

Si la pente de cette droite ainsi qu’un point de référence sont connus, on peut trouver la puissance de sortie qui correspond à une puissance d’entrée non-bruitée Na. A partir de Na, on peut calculer le facteur de bruit ou la température efficace du bruit d’entrée.

Générateurs de bruit

Une façon de déterminer la pente de bruit est d’appliquer deux quantités différentes de bruit d’entrée et de mesurer le changement sur la puissance de sortie. Cela est réalisable en utilisant un générateur de bruit. Ceux-ci sont souvent conçus à l’aide d’une diode à faible capacité qui génère du bruit lorsqu’elle est en polarisation inverse avec un courant constant. Les générateurs de bruit de précision tels que ceux de la série Keysight SNS disposent également d’un atténuateur de sortie pour fournir un faible rapport d’onde stationnaire afin de minimiser les erreurs de désadaptation.

Figure 2: Les générateurs de bruit de la série SNS intègrent un capteur de température (Source: Keysight)

Pour effectuer des mesures de facteur de bruit, un générateur de bruit doit disposer d’un niveau de bruit de sortie étalonné, intitulé ENR (Excess Noise Ratio pour rapport de bruit en excès ). La caractéristique unique de calibrage d’ENR est fournie avec le générateur de bruit et, dans le cas de la série SNS, stockée sur une mémoire EEPROM. Lorsque les générateurs de bruit sont utilisés à des températures autres que 290K, les mesures doivent être compensées thermiquement. Les générateurs de bruit de la série SNS comprennent un capteur de température dont la valeur mesurée peut être lue par les analyseurs NFA de Keysight.

Techniques de mesure

La méthode du facteur Y

La méthode du facteur Y consiste à connecter un générateur de bruit au composant à tester (Device Under Test, DUT), puis à mesurer la puissance de sortie avec le générateur de bruit activé et désactivé. Le rapport de ces deux puissances est appelé le facteur Y.

La précision de la mesure de niveau relatif est importante. Un des avantages des analyseurs de bruit modernes est que le détecteur de puissance interne est très linéaire et peut très précisément mesurer les changements de niveau.

Le facteur Y et l’ENR peuvent être utilisés pour trouver la pente de bruit du DUT, comme le montre la figure 1. Puisque l’ENR calibré du générateur de bruit représente un niveau de référence pour le bruit d’entrée, une équation pour le bruit interne de DUT, Na, peut être obtenue. On peut alors en déduire une expression pour le facteur de bruit du système global, FSYS, qui représente la contribution au bruit de toutes les parties du système.

Lorsque le facteur de bruit est beaucoup plus élevé que l’ENR, le bruit du composant tend à masquer la sortie du générateur de bruit et le facteur Y tend vers 1. Comme il est difficile de mesurer avec précision les rapports de faible niveau, la méthode du facteur Y n’est pas employée lorsque le niveau de bruit est supérieur de 10dB à la valeur de l’ENR du générateur de bruit.

L’équation définissant le facteur Y peut également être modifiée pour appliquer une correction lorsque la température de point froid du générateur de bruit, Tc, n’est pas à la température de référence de 290 K, To.

La méthode du générateur de signaux à deux puissances

Cette approche implique la mesure de la puissance de sortie avec l’entrée du composant avec une charge à une température d’environ 290K. Ensuite, un générateur de signal produisant un signal à l’intérieur de la largeur de bande de mesure est connecté et sa puissance de sortie ajustée pour produire une augmentation de 3dB de la puissance de sortie du DUT. Si le niveau de puissance du générateur et la largeur de bande de mesure sont connus, il est possible de calculer le facteur de bruit du DUT.

Cette approche comporte des limites. La largeur de bande de bruit du dispositif de mesure de puissance doit être connue, impliquant éventuellement l’utilisation d’un analyseur de réseau. La puissance de sortie doit être mesurée avec un appareil qui mesure la puissance réelle, étant donnée la présence simultanée du signal de bruit et du signal d’onde continue (Continuous Wave, CW). Les compteurs d’énergie thermique mesurent très précisément la puissance réelle mais peuvent exiger une forte amplification pour lire un faible niveau de bruit, et nécessiteront également un filtre de sélection de la bande passante. Les analyseurs de spectre présentent une bonne sensibilité et une bande passante bien définie, mais le détecteur peut réagir différemment aux signaux CW et au bruit.

La méthode de mesure directe du bruit

Dans cette approche, la puissance de sortie du composant est mesurée avec une terminaison d’entrée à une température d’environ 290 K. Si le gain du composant et la largeur de bande de bruit du système de mesure sont connus, le facteur de bruit peut être déterminé.

Comme précédemment, la bande passante de bruit doit être connue et le dispositif de mesure de puissance doit afficher une très grande sensibilité. Contrairement à la méthode de la double puissance, le gain du DUT doit être connu et le détecteur de puissance doit être capable de mesurer les niveaux (donc pas seulement les rapports) avec précision.

Instruments de mesure de facteur de bruit

Analyseurs de facteur de bruit

Un analyseur de facteur de bruit (NFA pour Noise Factor Analyzer) possède un récepteur avec un détecteur de puissance précis et un circuit pour alimenter le générateur de bruit. Il permet d’introduire des ENR, et peut afficher le facteur de bruit pour la fréquence à laquelle il est accordé. Il calcule les facteurs de bruit en utilisant la méthode du facteur Y.